CN202472285U - 一种基于fpga的智能转台系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于FPGA的智能转台系统，包括伺服控制器主板、功能选择按钮及功能指示LED、四向方向杆传感器、速度手轮传感器、方位俯仰值显示LED及扇区极限指示LED、方位俯仰电机驱动器和电源系统。此种转台系统可解决低端的CPU无法满足现有转台工作要求的问题，提供较多的通用接口，可适应更多的外接设备以及功能扩展，可提供百兆以太网通信，提高数据的稳定性和速率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于FPGA的智能转台系统，多用于天气雷达的伺服系统，也可用于高精度定位的天线中。
背景技术
现有的雷达天线转台系统一般控制形式单一，系统只能在PC机软件下进行工作，此系统在没有PC机的前提的环境下转台系统只能成为摆设；在脱离PC机软件的情况下，无法独自对天线进行高精度的定位控制以及对方位俯仰值进行监控；在天线调试过程中，若要用PC机软件进行控制极为不便；天线的校零一直是件很繁琐的事情，没有带电保存的措施就必须每次使用前都必须进行校零，当然可以使用PC机进行校零以及对数据的保存，但是脱离了PC机就无法工作了，转台系统的独自校零功能很必要；现有的转台需要高精度的控制，以满足转台各种高精度轨迹的运行；转台进行工作时，没有极限值的设定、急停，无法满足某些转台系统的需要；单一的RS232的通信形式无法适应快速的数据传输，从而无法进行高精度的快速定位和方位俯仰值的监控；高精度的方位俯仰反馈值要求高精度的编码器，低端CPU对解码的处理较为复杂，而且速率较慢；伺服驱动器所需要的脉冲驱动信号用低端CPU产生较为困难，也无法实现加减速过程；基于低端CPU的伺服控制主板的接口功能单一，无法适应各种新型控制传感器、方位俯仰编码器解码功能，另外主板CPU处理速度较慢，采用一个更高端的CPU是必要的。
基于以上种种，本设计人对现有的天线转台系统进行研究改进，本案由此产生。
实用新型内容
本实用新型的目的，在于提供一种基于FPGA的智能转台系统，其可解决低端的CPU无法满足现有转台工作要求的问题，提供较多的通用接口，可适应更多的外接设备以及功能扩展，可提供百兆以太网通信，提高数据的稳定性和速率。
为了达成上述目的，本实用新型的解决方案是：
一种基于FPGA的智能转台系统，包括伺服控制器主板、功能选择按钮及功能指示LED、四向方向杆传感器、速度手轮传感器、方位俯仰值显示LED及扇区极限指示LED、方位俯仰电机驱动器和电源系统；
功能选择按钮为+3.3V触发自恢复LED按钮，功能指示LED为+5V驱动，其触发与驱动信号线与伺服控制器主板相连；
四向方向杆传感器分为四向信号，每路为+3.3V触发，其触发信号线与伺服控制器主板相连；
速度手轮传感器所产生的脉冲信号线与伺服控制器主板相连；
方位俯仰值显示LED为两组5位八段码，扇区极限指示LED为发光二极管，所述八段码的片选信号线和八段码驱动线以及发光二极管驱动线都与伺服控制器主板相连；
方位俯仰电机驱动器三相异步电机驱动器，其所需要的脉冲驱动信号线与伺服控制器主板相连；
电源系统与伺服控制器主板相连。
上述伺服控制器主板包括FPGA处理器及基于该处理器下的以太网通信接口。
上述电源系统包括220V/AC转+15V/DC模块、220V/AC转+5V/DC模块，滤波器以及开关，5V/DC供给伺服控制器主板，15V/DC供给方位俯仰电机驱动器。
采用上述方案后，本实用新型相比现有技术，功能完善多样，定位稳定精确，FPGA的技术平台上可嵌入多种功能算法，从而使得功能扩展方便，适应力强；采用标准的机箱安装，携带方便。
附图说明
图1是本实用新型的整体架构图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本实用新型的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本实用新型提供一种基于FPGA的智能转台系统，用于雷达天线的伺服控制，所述智能转台系统包括伺服控制器主板、功能选择按钮及功能指示LED、方向俯仰值显示LED及扇区极限指示LED、方位俯仰电机驱动器、四向方向杆传感器、速度手轮传感器和电源系统，下面分别介绍。
伺服控制器主板包括FPGA处理器以及基于该处理器下的以太网通信接口，其中，FPGA处理器为所述智能转台系统的核心部分，侧重于高性能应用，容量大，能满足各种高端应用，其核心芯片采用Xilinx公司的Virtex-4 FX12模块，不仅提供FPGA的开发平台，而且Virtex-4 FX12嵌入了一个32位的PowerPC处理器，具有高达450MHz的运行频率和超过700 Dhrystone MIPS的性能。Virtex-4 FX12还包括了两个嵌入的UNH认证的10/100/1000 Ethernet MAC，这两个嵌入的Ethernet MAC进一步增强了Virtex-4 FX12在系统通信和管理功能方面的能力。
另外，所述FPGA处理器提供了80多个通用GPIO口，这些GPIO口均可根据功能需要配置成信号输入接口或驱动输出接口，满足传感器采样、方位俯仰编码值解码、LED和指示灯显示、I2C通信、RS232通信、RS485通信、驱动器信号产生等功能；具体地，功能选择按钮、四向方向杆传感器、速度手轮传感器的信号输出均与Virtex-4 FX12的GPIO相连，即信号输入接口；高精度的光电编码器通过板载的MAX485芯片与Virtex-4 FX12的GPIO相连，Virtex-4 FX12的内部异步串口驱动程序实现数据的串行传输，此外与PC机的RS232通信通过SP3232的驱动芯片也可利用此方法实现数据的串行传输；方位俯仰值显示LED及扇区极限指示LED、方位俯仰电机驱动器所需的驱动信号均可通过74LS245与Virtex-4 FX12相连，所述Virtex-4 FX12提供驱动信号；所述伺服控制器主板板载CAT1025为EEPROM，数据线与时钟线均与Virtex-4 FX12的GPIO相连，Virtex-4 FX12的PowerPC处理器的I2C底层驱动程序，开发快速、方便。
功能选择按钮及功能指示LED是集按钮功能和指示功能为一体的器件，其中，按钮为自恢复按钮，按钮功能为+3.3V触发，LED显示为+5V驱动，其触发与驱动信号线与伺服控制器主板相连，功能包括：方位俯仰控制形式选择（四向方向杆、速度手轮、PC程序、停止）、方位俯仰校零按钮、LED检测按钮。
功能选择按钮处于常闭状态，开关两端为+3.3V驱动电压以及信号线，当按下时信号线产生一个电平的上升沿，高速的Virtex-4 FX12处理器检测到此上升沿后，便给出此按钮LED指示的驱动信号，使得LED点亮，并且当前转台系统处于选择的工作方式；按钮只需触发，不需常按；工作方式选择按钮一个有8个，分别为方位控制方式：四向方向杆、速度手轮、PC程序、停止和俯仰控制方式：四向方向杆、速度手轮、PC程序、停止；方位和俯仰的四种控制方式互斥。
所述的功能选择按钮及功能指示LED可完成智能转台系统的独自的校零功能，连接电路同上所述，当按钮触发后，当前的方位值俯仰值校准为零；校准值保存至CAT1025中，掉电保存。
四向方向杆传感器用以实现控制方位顺、逆时针转动和俯仰上、下转动，其实质为4个开关，开关处于常闭状态，开关的两端为+3.3V的触发信号和信号线，当方向杆向某一方向偏置时，该方向的信号线产生高电平信号，处理器检测该信号为高电平信号，在控制方式为方向杆控制的前提下，便产生相应的脉冲驱动信号送至驱动器，转台便相应的以固定速度转动。
速度手轮传感器可采用NEMICON的Manual Pulser，型号为：UFO-01-2D-99，其所产生的脉冲信号线与伺服控制器主板相连。所述的速度手轮传感器包括方位控制手轮和俯仰控制手轮，由于此传感器带有速度传感功能，可对方位俯仰进行微调；所述速度手轮传感器为旋转编码器，输出为A、B电压脉冲信号，脉冲数从10到10000P/r，这样该传感器就提供了转动的开关信息和正、反向速度信息；当处理器检测到该脉冲时，相应的算法会将提取转台转动所需要的参数，产生相应的脉冲，进行转动。
方位俯仰值显示LED及扇区极限指示LED为发光二极管，由FPGA处理器的GPIO进行驱动，其中，方位俯仰值显示LED为两组5位的八段数码管，方位值显示范围为0°～360°，精度为0.01°，俯仰值显示范围为-3°～90°，精度为0.01°；这样一共10位的数码管片选使能信号都与FPGA处理器的GPIO相连，10位循环显示，由于循环频率很高，便形成了同时显示的效果；八段数码管的八段使能信号也与处理器相连，控制其每位的显示数值。以上的方位俯仰值显示功能都可由处理器的Power PC完成。
扇区极限指示LED方位俯仰各3个LED，并对相应的方位俯仰值进行指示，以方位正北方向为零点，顺时针为CCW扇区，逆时针为CW扇区，以俯仰的水平作为零点，向上（正值）为CCW扇区，向下（负值）为CW扇区，扇区指示LED反馈以上信息，另方位俯仰值均可再设置极限值，极限指示LED作以反馈。
方位俯仰电机驱动器为百格拉三相异步电机驱动器，可采用型号为WD-007；所需驱动脉冲由FPGA处理器提供，为脉冲信号和方向信号，脉冲信号的频率决定了电机的转速，而方向信号则决定了电机的转向；针对不同的控制方式，处理器都有相应的算法处理，从而产生所需要的脉冲信号和方向信号；如：PC机软件通过网口或者串口将参数，转动时间、方向、转速发至处理器，算法处理后，产生脉冲信号和方向信号控制转台转动。
所述的电源系统包括220V/AC转5V/DC模块、220V/AC转15V/DC模块、滤波器和开关，5V/DC供给处理器主板和转台的光电编码器，15V/DC供给方位俯仰电机驱动器；滤波器用于有效地消除电网干扰，并自带保险丝，避免控制系统电量过载，板载的AMS1117-3.3V、AMS1117-2.5V、AMS1117-1.8V分别给控制板的各种芯片供电。
相比现有技术，本实用新型所提供的智能转台系统功能多样，控制方式可脱离PC机独立工作，亦可通过RS232和以太网利用PC机工作，定位精确，自带的EEPROM提供掉电保存功能，无需多次校零，结合PC软件可进行雷达的PPI、RHI等形式的扫描功能，也可进行高精度的轨迹扫描；所述智能转台系统在天气雷达中有广泛运用，也可运用在需高精度定位的被动接收天线中。
以上实施例仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于FPGA的智能转台系统，其特征在于：包括伺服控制器主板、功能选择按钮及功能指示LED、四向方向杆传感器、速度手轮传感器、方位俯仰值显示LED及扇区极限指示LED、方位俯仰电机驱动器和电源系统；
功能选择按钮为+3.3V触发自恢复LED按钮，功能指示LED为+5V驱动，其触发与驱动信号线与伺服控制器主板相连；
四向方向杆传感器分为四向信号，每路为+3.3V触发，其触发信号线与伺服控制器主板相连；
速度手轮传感器所产生的脉冲信号线与伺服控制器主板相连；
方位俯仰值显示LED为两组5位八段码，扇区极限指示LED为发光二极管，所述八段码的片选信号线和八段码驱动线以及发光二极管驱动线都与伺服控制器主板相连；
方位俯仰电机驱动器三相异步电机驱动器，其所需要的脉冲驱动信号线与伺服控制器主板相连；
电源系统与伺服控制器主板相连。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的智能转台系统，其特征在于：所述伺服控制器主板包括FPGA处理器及基于该处理器下的以太网通信接口。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的智能转台系统，其特征在于：所述电源系统包括220V/AC转+15V/DC模块、220V/AC转+5V/DC模块，滤波器以及开关，5V/DC供给伺服控制器主板，15V/DC供给方位俯仰电机驱动器。
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CSIC PENGLI (NANJING) ATMOSPHERIC AND OCEANIC INFO Free format text: FORMER OWNER: CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY PENGLI (NANJING) INTELLIGENT EQUIPMENT SYSTEM CO., LTD. Effective date: 20150710 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee |
Owner name: CHINA SHIPBUILDING INDUSTRY PENGLI (NANJING) INTEL Free format text: FORMER NAME: NANJING PRIDE TECHNOLOGY CO., LTD. |
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Address after: Shuige Development Zone of Jiangning city Nanjing road 211106 Jiangsu Changqing street, No. 32 Patentee after: CSIC PRIDE(Nanjing)Intelligent Equipment System Co.,Ltd Address before: Shuige Development Zone of Jiangning city Nanjing road 211106 Jiangsu Changqing street, No. 32 Patentee before: NANJING PRIDE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20150710 Address after: Jiangning Development Zone in Nanjing City, Jiangsu province 211153 Evergreen Street No. 32 Patentee after: CSIC PRIDE (NANJING) ATMOSPHERE MARINE INFORMATION SYSTEM Co.,Ltd. Address before: Shuige Development Zone of Jiangning city Nanjing road 211106 Jiangsu Changqing street, No. 32 Patentee before: CSIC PRIDE(Nanjing)Intelligent Equipment System Co.,Ltd |
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